在催化反应中，反应活性位点的原子和电子结构由于受环境的影响，会发生可逆重组，这些中间态结构往往是影响催化剂性能的关键。因此，在工作条件下实时监测催化剂活性位原子和电子的动态变化过程是催化剂理性设计的前提。基于此，中国科学技术大学国家同步辐射实验室姚涛教授研究团队发展了多种原位同步辐射谱学技术，并结合近边模拟，解析了反应活性位结构在电催化能量转换反应中的变化机制。 

单原子合金化是调控双金属纳米颗粒的原子和电子结构的一种行之有效的方法。原位研究工作状态下单原子合金的表面结构重组行为，对于设计开发新型高性能催化剂具有重要意义。姚涛教授研究团队利用原位X射线吸收谱技术，揭示了Au纳米颗粒表面的Cu单原子在电场驱动下的动态迁移行为（如图1所示），发现在一定的还原电位下，Cu单原子从纳米颗粒的顶角位点迁移到更加稳定的（100）面内。近边拟合计算进一步证实了Cu单原子这一动态迁移过程。相关研究成果以“Dynamic surface reconstruction of single-atom bimetallic alloy under operando electrochemical conditions”为题发表在国际纳米著名期刊《纳米快报》上[Nano Letters 20: 8319(2020)]。

         
            图1. 单原子Cu催化剂的原位同步辐射表征及表面动态迁移过程 

同时，姚涛教授研究团队选取结构均一的单原子Fe基催化剂作为研究对象，利用原位X射线吸收谱技术，监测到Fe单原子在电场驱动下的动态迁移行为（如图2a所示），发现在工作条件下，金属单原子Fe和基底的相互作用减弱，结构优化后具有更多d电子，有效地促进Fe位点对于反应中间态的吸附，从而使催化剂具有优异的析氢活性。相关研究成果以“Active Sites of Single-Atom Iron Catalyst for Electrochemical Hydrogen Evolution”为题发表在国际物化著名期刊《物理化学快报》上[J. Phys. Chem. Lett. 11: 6691-6696 (2020)]。与此同时，研究团队通过设计一种高结晶态NiS催化剂，结合X射线吸收谱分析，发现了强 Ni-S杂化键不仅提供有益的电子结构来促进水的吸附解离，还显著增强在酸性介质的抗腐蚀性，最终表现出优异的催化活性和稳定性（如图2b所示），为今后酸性质子交换膜电解水催化剂的设计提供新思路。相关研究结果以“Strong Ni-S Hybridization in a Crystalline NiS Electrocatalyst for Robust Acidic Oxygen Evolution”为题发表在《物理化学》上[J. Phys. Chem. C 124: 2756-2761 (2020)]。 
                            图2. 单原子Fe催化剂（a）及高结晶态NiS（b）的同步辐射表征 
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03475 
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c01943 
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.9b09796